Struktura karbidu křemíku

Karbid křemíku (SiC) je velmi tvrdý syntetický materiál, který poprvé syntetizoval Edward Acheson v roce 1891 v peci zahřáté uhlíkem a oxidem hlinitým. Od svého uvedení do průmyslu jako průmyslového brusiva ve 20. letech 20. století se SiC rychle stal jedním z nejvyhledávanějších materiálů ve velkém měřítku.

SiC se vyrábí v různých krystalových strukturách známých jako polytypy; pro aplikace s vysokým výkonem je nejvhodnější polytyp s hexagonální atomovou strukturou 4H-SiC.

Fyzikální vlastnosti

Karbid křemíku je jemná keramika s rozmanitými fyzikálními vlastnostmi, které z ní činí jeden z nejuniverzálnějších žáruvzdorných materiálů na trhu. Od jeho pevnosti, tvrdosti, odolnosti proti korozi a vysokého bodu tání až po jeho všestrannost v extrémních technických aplikacích - jako jsou ložiska čerpadel, ventily, pískovací vstřikovače a vytlačovací formy - karbid křemíku se osvědčil jako důležitý prvek pro moderní elektronická zařízení. Kromě těchto působivých mechanických vlastností nabízí karbid křemíku jako nepostradatelná složka významné polovodičové schopnosti.

Čistý karbid křemíku je bezbarvá krystalická látka s hustotou 3,21 g/ml a teplotou tání vyšší než 2700 °C. Často se vyrábí Achesonovým procesem, kdy se křemičitý písek a koks kombinují a zahřívají na vysoké teploty v elektrické peci, dokud se křemičitý písek nezkarbonizuje a nevytvoří hrubozrnné krystalické struktury, jako je a-SiC, zatímco u ingotů b-SiC se vytvářejí diamantové krychlové struktury.

Alfa-SiC je nejčastěji se vyskytující polymorf karbidu křemíku, který má hexagonální krystalovou strukturu podobnou wurtzitu. Formy beta-SiC s diamantovou krystalovou strukturou se nejčastěji vyskytují v meteoritech; kromě toho se tato forma často používá v průmyslové výrobě při tavicích a licích procesech k výrobě různých výrobků.

Chemické vlastnosti

Karbid křemíku je houževnatá neoxidová keramika s pozoruhodnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi: vysokou tvrdostí a tuhostí, nízkou tepelnou roztažností a výjimečnou odolností proti korozi. Kromě toho je díky svému širokému pásmu vhodný pro aplikace ve vysoce výkonné elektronice.

Voda, alkohol a většina kyselin s výjimkou kyseliny fluorovodíkové a kyselých fluoridů ji nerozpouští, což jí zajišťuje vyšší chemickou stabilitu než většině ostatních žáruvzdorných keramik.

Karbid křemíku byl poprvé uměle syntetizován Edwardem Achesonem v roce 1891 jako náhodný vedlejší produkt jeho elektricky zahřívané taveniny uhlíku a oxidu hlinitého a stal se jednou z nejdůležitějších průmyslových keramik na světě, která se používá jako brusný materiál pro ocelové slitiny i jako konstrukční keramika.

Karbid křemíku má těsné tetraedrické uspořádání kovalentně vázané. Různá pořadí uspořádání dávají vzniknout různým polytypům - každý z nich se vyznačuje odlišnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi.

Alfa forma (a-SiC) má hexagonální krystalovou strukturu podobnou wurtzitu, zatímco její beta verze (b-SiC) vykazuje krystalovou strukturu zinkového blende podobnou diamantu. Obě odrůdy SiC lze snadno opracovávat s pouze omezenými omezeními tvrdosti a brousit do různých tvarů pro použití jako brusné výrobky nebo zrcadla v dalekohledech, což jsou oblíbené aplikace těchto materiálů.

Elektrické vlastnosti

Karbid křemíku je polovodičový materiál, což znamená, že vykazuje některé vlastnosti, které se vyskytují jak u kovů (které vedou elektrický proud), tak u nekovů, jako jsou izolanty (které se brání toku elektřiny). Přesná povaha jeho elektrických vlastností závisí na teplotě a případných nečistotách přítomných v jeho krystalové struktuře - při nižších teplotách se chová spíše jako izolant, který se brání průtoku elektřiny, zatímco při vyšších teplotách se stává spíše vodičem a umožňuje průchod elektřiny.

Krystalová struktura SiC se skládá z vrstev složených z atomů křemíku a uhlíku vázaných v tetraedrické konfiguraci. Tyto těsně zabalené vrstvy vytvářejí těsnou strukturu, která dává vzniknout různým krystalovým strukturám nazývaným polytypy; každý polytyp má stejné chemické složení, ale odlišnou krystalovou strukturu, která ovlivňuje jeho elektrické vlastnosti. Pořadí vrstvení jednotlivých polytypů může vytvářet krystalové struktury kubické, hexagonální nebo romboedrické.

SiC je atraktivním materiálem pro vysokonapěťová výkonová zařízení díky své tetraedrické krystalové struktuře a široké mezeře v elektronickém pásmu, což jej činí zvláště vhodným pro diody a tranzistory. Širší elektronická pásmová mezera SiC mu umožňuje odolávat vyšším průrazným elektrickým polím než křemík a zároveň má nižší spínací ztráty, které pomáhají zlepšit energetickou účinnost. Kromě toho lze vodivost porézního karbidu křemíku modifikovat jeho dopováním nečistotami, aby se dosáhlo vyšší vodivosti i napěťové schopnosti pro použití v účinných měničích energie pro měniče energie v elektrických vozidlech.

Mechanické vlastnosti

Karbid křemíku je extrémně tvrdý, chemicky inertní materiál, který se v přírodě vyskytuje v podobě černých diamantů s tvrdostí podle Mohse 9. Má mnoho výhodných vlastností, včetně teplotní stability, nízké tepelné roztažnosti a odolnosti vůči chemickým vlivům, takže je ideální jako polovodičový materiál.

Oxid lithný je výjimečný elektrický izolant s výjimečným faktorem napěťové odolnosti, který je desetkrát vyšší než u křemíku, což z něj činí stále atraktivnější možnost náhrady křemíku pro výkonovou elektroniku a další vysoce výkonné aplikace.

SiC se vyrábí pomocí různých polymorfních krystalových struktur, z nichž každá má své specifické uspořádání atomů. Tři běžné polytypy SiC, které se vyrábějí, jsou 3C-SiC, 4H-SiC a 6H-SiC; liší se pořadím vrstvení, což vede k odlišným fyzikálním a mechanickým vlastnostem.

Nedávný výzkum provedený na jednotlivých SiC nanodrátcích s různými strukturními poměry obsazení ODD byl testován in-situ v tahu pomocí SEM, aby se posoudila jejich pevnost a pružnost, modul pružnosti ve smyku, výpočty Poissonova poměru jednotlivých fází a analýza mechanické anizotropie odhalily, že Pm-SiC má silnější chování ve smyku ve srovnání s b-SiC a Pnnm-SiC NWs; navíc pevnost rostla s rostoucím poměrem obsazení ODD až do dosažení 32,6%, kdy pevnost začala exponenciálně klesat.